No início do presente capítulo foi feita uma introdução onde foi ligeiramente abordada a existência de um sistema de aquisição de dados relativos ao deslocamento do impactor e da força gerada no momento em que este entra em contacto com a superfície a testar, neste caso o piso de ginástica. Na verdade, o sistema de aquisição de dados como um todo é composto por dois subsistemas independentes, um destina-se à aquisição da força e será o primeiro a ser exposto, o outro é responsável pela aquisição do deslocamento.
Começando pela força e tal como em todos os sistemas de aquisição de dados este sistema é composto por sensores (que neste caso é apenas um), hardware e software de aquisição e medição. Relativamente ao sensor, este aparece sob a forma de uma célula de
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carga que se encontra montada no impactor (Figura 3.5 (c)). A célula de carga utilizada possui uma capacidade máxima de 20 kN e nos seus terminais foi instalado um conector RJ 50 fêmea (Figura 3.7) de modo a tornar possível a conexão com a carta de aquisição de dados através de um cabo RJ50 macho/macho.
Figura 3.7: Conector RJ50 da célula de carga.
A carta de aquisição responsável por recolher os dados enviados pela célula foi uma NI 9237 instalada num chassis CompactDAQ (Figura 3.8), ambos fabricados pela National Instruments®. De referir que estes equipamentos são muito interessantes, com uma vasta gama de inputs, uma arquitetura compacta e robusta e uma capacidade de aquisição muito elevada.
As Tabela 3.1 e 3.2 apresentam as características principais do chassis e carta, respetivamente.
21 Tabela 3.1: Características principais do chassis NI cDAQ-9178 [12].
Peso 900 g
Dimensões 254.0 mm × 88.1 mm × 58.9 mm
Tensão de alimentação 24 v cc
Conectividade com computador USB
Número de cartas de aquisição permitidas 8
Tipo de cartas de aquisição suportadas Cartas da série C (Temperatura, resistência, sensores baseados em ponte, tensão, acelerómetro e microfone, digital, corrente, CAN, LIN, temporização e sincronização).
Tabela 3.2: Características principais da carta NI 9237 [12].
Número de canais disponíveis 4 canais analógicos
Tipo de sensores compatíveis Meia ponte e ponte completa.
Conectividade com sensores RJ50
Frequência 12.8 MHz
Amostragem máxima 50000 amostras/s
Voltagem de excitação 2.5, 3.3, 5 ou 10 v
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Os dados recolhidos são por fim enviados através da interface USB do CompactDAQ para o computador, onde uma aplicação desenvolvida em LabVIEW permite a visualização em tempo real da informação adquirida ao mesmo tempo que a grava em disco. A aplicação LabVIEW utilizada na MEI foi desenvolvida em trabalho anterior [13] não tendo sofrido qualquer tipo de alterações e tem as seguintes funcionalidades principais (Figura 3.9):
Área de monitorização em tempo real (1); Botão de início de ciclo e gravação de dados (2); Botão de término de ciclo e gravação de dados (3); Botão de interrupção de leitura da célula de carga (4);
Caixa de escolha da porta onde a célula se encontra conectada (5);
Caixa de texto para especificar nome e local de gravação do ficheiro de dados (6).
Figura 3.9: Aplicação LabVIEW para leitura da célula de carga.
Contrariamente ao que aconteceu com o sistema de aquisição da força, que foi utilizado sem sofrer alterações relativamente ao que já existia, o do posicionamento do impactor foi completamente modificado.
O sistema de aquisição de dados de deslocamento do impactor existente na MEI era uma solução deveras interessante. Com um tamanho muito compacto, todo o sistema se
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encontrava confinado numa pequena caixa (Figura 3.10) onde coexistiam tanto o sensor como todo o restante hardware de aquisição de dados.
Figura 3.10: Sistema de aquisição de posição antigo (à esquerda vista do exterior, à direita vista do interior).
Este sistema recorria à tecnologia de ultrassons para determinar a que distância o impactor se encontrava num dado instante. Era composto por um sensor ultrassons HC-SR04 conectado a uma placa Arduino Mega.
A grande vantagem deste sistema era o facto de não haver qualquer tipo de ligação física entre o sistema de aquisição de dados e o impactor, visto que as grandes acelerações sofridas por este último durante um ensaio tornam a implementação de equipamentos de medição mecânicos bastante limitada. De facto, em teoria a tecnologia ultrassons seria perfeita para o que se pretendia, no entanto os resultados obtidos por este meio revelaram- se inutilizáveis devido à quantidade de ruído que apresentavam. Numa fase inicial foram realizadas algumas intervenções com o objetivo de melhorar a qualidade dos dados obtidos: As fixações dos componentes foram melhoradas com o
intuito de reduzir eventuais vibrações;
A caixa foi modificada para que a placa Arduino Mega fosse montada de modo a que houvesse um melhor isolamento entre ambos;
O programa Arduino foi modificado e substituído testando bibliotecas de funções diferentes [14];
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A chapa de aquisição de dados do impactor (Figura 3.4) foi substituída por uma outra chapa de acabamento superficial melhorado.
Apesar dos trabalhos realizados os dados obtidos continuaram a revelar-se fracos. Na Figura 3.11 são apresentados os resultados obtidos pelo sensor ultrassons para um ensaio, onde se pode observar:
Elevado ruído numa das zonas mais relevantes do ensaio (zona ampliada do gráfico), uma vez que é aqui que se regista o afundamento máximo;
Baixa taxa de aquisição, recolhendo apenas cento e vinte amostras por segundo.
Figura 3.11: Resultados obtidos através do sensor ultrassons.
A fraca fiabilidade dos resultados obtidos conduziu à conclusão que a causa do provável do problema seria a qualidade do sensor de ultrassons utilizado e uma vez que as
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alternativas com precisões razoáveis existentes no mercado se mostraram excessivamente dispendiosas, este caminho foi abandonado dando lugar a um novo dispositivo de medição, um encoder de fio RLX50a da marca Roundss® (Figura 3.12).
Figura 3.12: Encoder de fio [15].
Um encoder de fio é no fundo um potenciómetro de alta precisão acoplado a uma bobina de um fio de aço, o qual recolhe automaticamente, mediante o acionamento por uma mola, quando largado. À medida que o fio é puxado ou recolhido o potenciómetro varia a sua resistência, o que causa uma variação na tensão que por ele passa tornando possível a conversão desta diferença de tensão em distância percorrida. O encoder utilizado é capaz de medir distâncias até 1000 mm, com uma precisão que o fabricante afirma tender para o infinito [16].
A Tabela 3.3 apresenta as principais características do encoder RLX50A.
Tabela 3.3: Características principais do encoder RLX50A.
Intervalo de medição 0-1000 mm
Resolução Teoricamente Infinita
Tensão de saída 0-10 v cc
Tensão de alimentação 24 v cc
Aquando do desenvolvimento da MEI a implementação do encoder não estava prevista, pelo que a sua montagem não foi direta, tendo sido necessário idealizar e construir um sistema de montagem.
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Foi fabricado um suporte (Figura 3.13) e posteriormente montado na MEI recorrendo aos parafusos existentes na caixa do rolamento linear superior.
Figura 3.13: Suporte do encoder.
Tendo sido criada a base para montagem do encoder foi necessário alterar a chapa de suporte à aquisição de dados (Figura 3.4) para que o fio do encoder pudesse ser nela aparafusado, o que levou a que um furo fosse maquinado naquela zona. Recorrendo apenas a estas duas alterações foi possível instalar o encoder na MEI (Figura 3.14).
Figura 3.14: Montagem do encoder: (a) Encoder; (b) Cubo de alojamento do rolamento linear; (c) Suporte do encoder; (d) Fio do encoder; (e) Chapa de apoio à aquisição de dados; (f) Varão corrediça do impactor.
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Foi utilizada uma fonte de alimentação Escort EPS-3250 (Figura 3.15) para alimentar o encoder com a tensão requerida de 24 V cc.
Figura 3.15: Fonte de alimentação.
A Tabela 3.4apresenta as características da fonte de alimentação indicada
Tabela 3.4: Principais características da fonte de alimentação Escort EPS-3250.
Tensão de alimentação 220 V ca
Número de canais de saída 2 reguláveis + 1 fixo Tensão de saída dos canais reguláveis 0-25 V cc
Intensidade de corrente de saída dos canais reguláveis
0-0.6 A
Tensão de saída do canal fixo 5 V cc Intensidade de corrente de saída do canal
fixo
2 A
De acordo com o fabricante, o encoder utilizado fornece uma tensão de saída variável entre 0 e 10 V cc quando alimentado a 24 V cc. Para efetuar a aquisição deste tipo de dados recorreu-se a um dispositivo Spider 8 da HBM®(Figura 3.16).
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Este equipamento de medição é dotado de sete cartas de aquisição, das quais duas apresentam a possibilidade de leitura de tensões de corrente contínua entre 0 e 10 V [17].
A Tabela 3.5 apresenta as principais características do aparelho Spider 8.
Tabela 3.5: Características principais do dispositivo Spider 8.
Cartas de aquisição instaladas 2 x SR55 2 x TF/NF 2 x TF Sensores passíveis de serem lidos através
das cartas instaladas
Ponte completa; Meia Ponte;
Corrente contínua de 0 a 10 V Frequência
Taxa de aquisição Até 9600 amostras por segundo
Filtros digitais disponíveis Butterworth Bessel
Conectividade com computador Porta série Rs232 Porta paralela LPT
Taxa de transferência Até 38400 bits por segundo
Depois de montado o encoder na MEI e de escolhidos os equipamentos de alimentação e leitura, foram estabelecidas as ligações elétricas entre os componentes do sistema (Figura 3.17).
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Figura 3.17: Ligações elétricas.
A visualização e gravação dos dados adquiridos pelo sistema anterior ficou a cargo do software Catman 4.5 (Figura 3.18), que assim completou o sistema de aquisição de dados relativos ao deslocamento do impactor.
Figura 3.18: Módulo de aquisição de dados do software Catman 4.5: (a) Visualização de cada canal de entrada em tempo real; (b) Botão de início de aquisição de dados; (c) Botão de cessação da aquisição de dados; (d) Tempo decorrido desde o início da aquisição de dados; (e) Número de amostras recolhidas; (f) Botão de gravação em disco dos dados adquiridos; (g) Número de amostras na base de dados; (g) Janela de visualização de gráfico em tempo real dos dados obtidos.
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Capítulo 4
4 Máquina de Ensaios de Atrito
O trabalho realizado durante a presente dissertação também se focou no desenvolvimento da MEA (Figura 4.1) que será de seguida analisada.
Figura 4.1: Máquina de ensaios de atrito.
O projeto inicial desta máquina foi realizado por alunos da unidade curricular de Tecnologia dos Processos de Ligação (TPL), tendo os mesmos encetado a construção da mesma, no entanto a escassez de tempo ditou que tivessem sido forçados a abandonar o projeto muito antes de terminado. Quando o tema desta dissertação foi proposto, a MEA existente foi encontrada numa fase muito embrionária de desenvolvimento, estando apenas construída a estrutura base e montada sobre ela a correia de transporte do deslizador (Figura 4.2).
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Figura 4.2: Estrutura e correia de transporte da máquina de ensaios de atrito: (a) Estrutura de suporte; (b) Correia transportadora; (c) Bloco de rolamentos da polia do veio motor; (d) Bloco de rolamentos da polia do veio livre.
O modo de funcionamento desta máquina é relativamente simples, um deslizador acoplado à correia de transporte é puxado e empurrado por esta ao longo de uma determinada distância sobre a superfície a testar, sendo recolhidos dados durante a trajetória descrita relativos à força de atrito e variação de temperatura no material em teste. Seguidamente é feita uma análise detalhada aos componentes da máquina e à sua construção.
Os desenhos de definição dos componentes fabricados para a MEA podem ser consultados no Apêndice C.